振动测量是在HZDR的LIMMCAST(铸钢液态金属模型)设施的实验钢包中使用高灵敏度加速度计进行的。模型采用sn - 40wt pctBi液态合金在200℃下运行，其物理性能接近钢液。在LIMMCAST容器外壁上安装了三个加速度计，记录不同工艺参数下液态金属中氩气气泡流动引起的振动。在液态金属实验中得到的结果与在水模型中得到的结果不同，在水模型中，振动振幅的均方根值与气体流速之间的关系遵循不同的曲线形状。此外，将LIMMCAST模型中的振动测量结果与某钢厂真空脱气过程中的振动测量结果进行了比较。RMS数据的比较显示出较好的一致性。这表明工业过程中的振动和实验室模型中的振动是由相同的物理机制引起的，因此，用合适的液态金属模型可以很好地再现工业炼钢钢包的振动行为。这些气泡流动的研究有助于提高对工业搅拌过程的理解，从而有助于更好地控制过程。
注气是目前在黑色金属和有色金属工业中导致更强烈的搅拌，增强混合条件和更高工艺效率的常见程序。[1]例如，在铝废料的熔化过程中，为了除去氢，气体搅拌对于生产高质量的铝铸件是必不可少的。[2]精炼过程的效率通过注入气体来提高，同时实现大量气泡均匀分散到液浴中，其中产生的气泡促进了铝液中的脱气和夹杂物的去除。[3]在铜冶炼中，向炉内注入氧气，导致冶炼和结渣反应，以生产高质量的哑铜。注气引起的混合对熔炼过程的效率也起着重要的作用。[4]此外，在铜工业中，氧的还原发生在反应器中，其中天然气被添加到液体表面以下，直到熔化的铜中达到所需的氧水平。在二次炼钢中，气体广泛用于钢包处理和脱气以及脱碳过程。在钢包冶金中，惰性气体的搅拌对于钢液的均匀化、脱硫、脱气和夹杂物的去除是必不可少的。与气体搅拌对冶金技术的重要意义相反，到目前为止，对各个过程的监测和控制主要是基于对液浴自由表面现象的观察。[5,6]
测量系统尚未开发用于精确控制和优化气体搅拌过程;例如，控制进入钢包的气体流速。在大多数情况下，气体通过底部塞注入钢包，但也可以通过顶部吹枪或侧塞注入。操作人员对供气量的控制通常仅限于作为中央供气系统一部分的气体调节器的显示。这些调节器被放置在离插头相当远的地方，这意味着测量系统暴露在管道泄漏的风险中。在其他情况下，在天然气管道上安装流量计来监测流量的调整值，但即使这种方法也不能消除管道中的错误记录或堵塞塞。[5,7]如果气体损失导致钢包内气体进料减少，则此处的搅拌强度会降低。然而，为了平衡气体损失而不加控制地增加钢包内的气体注入量可能会导致过度补偿的搅拌，并可能导致容器衬里损坏和夹渣等问题。[8]这可能会在生产过程中造成重大问题，并可能损害最终产品的质量。因此，有必要改善注射过程中气体流动的控制和钢包内流动的现状。在高强度搅拌的情况下，用红外(IR)相机观察自由表面流动，可以通过监测形成的无渣开放金属表面(睁眼)的大小，潜在地给出搅拌强度的指示。[9]然而，这种通过红外摄像机来控制搅拌过程的方法在软搅拌的情况下是不可用的，因为红外摄像机无法检测到从钢包表面逸出的气泡。但即使在高气体流速的情况下，这种方法也不是没有问题。在像真空脱气那样的自由表面受到强烈干扰的情况下，很难确定张开的眼睛的不规则形状。此外，睁眼特性和体积内流动结构与搅拌过程效率之间的关系尚不清楚。因此，在软搅拌和重搅拌期间在钢包中使用红外相机只能提供关于搅拌动力学和工艺流程的粗略信息。然而，将这种测量技术与本研究中提出的振动测量相结合，可能有可能提高过程分析的准确性。[10,11]
正如过去所表明的那样，在工业冶金中使用振动测量作为气体搅拌过程的诊断工具具有很大的潜力。在实验室规模的实验和工业中，通过使用加速度计，在振动测量的帮助下进行了大量的努力来控制钢包处理和真空脱气过程。加速度计可以用于研究气体和液体之间的相互作用，并为我们提供有关搅拌条件的信息。[12]当惰性气体通过塞子注入液体时，由于密度较低，气体上升，导致气泡和气泡羽流的形成。气泡振荡、气泡-气泡相互作用(如聚并)或流体-结构相互作用引起振动和声音。[13,14]注气过程中，气泡上升产生动态湍流，导致钢包壁振动。捕捉到这种振动可以给我们提供有关液体中气泡行为的信息。安装在不同垂直和水平位置的加速度计可以捕捉振动，其中可能包含有关附近位置发生的现象的信息。[15]如前所述，当为冶金目的和研究使用振动测量时，信息的数量和质量不受传感器位置的影响。[5]因此，振动测量在工业中是至关重要的，因为它提供了从过程中获取数据及其实时性能的机会。然而，在恶劣的工业环境中，振动测量是一个主要挑战。虽然加速度计相对坚固，可以承受相对恶劣的条件，但高工作温度始终是一个限制因素。在目标系统附近，即在钢包处理站，温度可能非常高。加速度计也被证明对工业测量是有利的，因为它们可以安装在距离测量对象几米远的较冷的表面上，而不是安装在钢包壁上，并且仍然提供高质量的测量信号。[5]
以前的实验室研究用水模型来解释流体流动和相关输运现象过程的振动信号。[5,6,7,10,16] Burty等人[7]研究了以水作为模拟流体的实验室模型和工业装置的振动测量。根据测量结果，作者能够建立气体流速与加速度计捕获的振动水平之间的相关性。venus等人[5,6]将流量范围与传感器被迫振动的频率范围联系起来。Xu等人[11]也证明了对振动信号的分析可以实现对钢包处理过程的监测。正如他们对水模型的研究所示，振动信号在1到120赫兹之间变化，通常，振动的幅度随着气体流速的增加而增加。得到的振动信号的均方根(RMS)是另一个随气体流量增加而增加的参数。[14]Alia等人[15]在用水作为模拟液体的实验中检验了均方根值的重要性。作者获得了关于从模型周围不同位置的传感器获得的测量信号的信息内容和质量的有用见解。在此基础上，提出了基于振动的钢包搅拌优化控制准则。在一个欧洲项目的框架内，已经开展了一项与钢包处理过程中使用振动信号进行过程控制相关的广泛工作。[10]在这项工作中，在环境大气和真空条件下的水模型中进行了振动测量。结果表明，振动信号与工艺参数之间的直接关系是气体流量、水深和搅拌塞数量的函数。研究结果表明，振动水平受到多个实验和设计参数的影响。[10]对该主题的大量研究表明，需要引入一种可靠的测量技术来控制气体搅拌过程的控制，Pylvänäinen等人[17,18]强调了控制气体搅拌强度以确保生产材料的高生产率和高质量的必要性。这项工作强调了间接测量的重要性，如振动测量，在真空脱气在SSAB, Raahe，芬兰。研究表明，利用振动传感器可以很好地控制气体搅拌过程，并且可以更容易地检测气体泄漏。总之，振动测量有助于开发气体搅拌过程的在线监测系统，并识别气体流动的不规则性。Burty等人[7]进行了工业测量，揭示了振动测量在钢包处理过程中控制搅拌的潜力。观察了在气体搅拌作用下钢包振动与夹杂物去除率之间的关系。
迄今为止，在实验室规模的研究中，对有效搅拌的研究主要集中在水模型上。当气体通过塞子注入钢包时，就形成了一个两相区域，即所谓的羽流。羽流周围的液体被上升的气泡加速，并跟随向上的运动，其中气泡在液体的自由表面分离。[19]在向炼钢容器注入气体的过程中，会发生各种各样的现象，这些现象会产生振动，并被加速度计捕捉到。然而，气泡的形状、大小和速度等特征受到注入气体的液体的热物理性质的显著影响。[20,21,22] Srivastava等[21]表明液体的热物理性质如粘度和表面张力会影响气泡的大小。这两个值的增加导致形成的气泡的索氏平均直径增加。[21,23]此外，表面张力比粘度对气泡大小的影响更大[21]。除了气泡的大小，气泡的形状也受到粘度和表面张力的强烈影响，从而影响气泡的动力学和气液相的相互作用。[20,24]同样，在表面张力较低的液体中，已经观察到产生的气泡尺寸比表面张力较高的液体小[24]。低表面张力的液体破裂频率更高，导致气泡数量增加，尺寸更小。[21]Cho等人[22]提出了气泡形成的机制，其中表面张力在气泡的成核、膨胀和延伸中起主要作用。以往的研究表明，流体力学和表面张力会影响气泡上升过程中的气泡聚并现象。Kostetskii等人的研究报告了液体的表面张力与所研究的实验钢包的振动行为之间的RMS值的联系。[16]此外，Keplinger等人表明，液态金属中的气泡破裂与水中的破裂有很大不同。当液态金属中的破裂导致两个特定的新形成的子气泡时，在水中的气泡破裂时会形成多个子气泡。[25]
使用液态低温金属(如GaInSn、[24,25]、PbSn[26]或SnBi[27])进行建模的实验比在水模型中的相应研究要少得多，因为它们的操作通常更复杂，对测量技术的要求更高。另一方面，这些液态金属模型比实际工业工厂的类似测试更便宜、更灵活、更高效。此外，液态金属实验为在实际工业工厂中使用的测试测量技术提供了最佳条件。因此，这些模型是研究炼钢过程中流动和输运现象的重要实验工具，由于液体的材料特性，液态金属模型比可比的水实验更能满足相似条件。[24]此外，这些模型实验为数值流动模拟的验证提供了有价值的实验数据。[28]在这项工作中，在HZDR的实验设施LIMMCAST(铸钢液态金属模型)中进行了振动测量，并与先前在水模型中的测量进行了比较。本工作的另一部分致力于LIMMCAST模型获得的振动数据与瑞典钢铁厂真空脱气期间进行的测量数据之间的比较。为此，在钢厂真空脱气过程中，通过短时间运动记录了振动数据。在这项工作中，试图进一步缩小在物理钢包模型和实际金属制造过程中由于气泡流动而引起的振动行为的研究之间的差距。这项研究将进一步有助于更好地理解金属制造过程中气泡的振动行为。
除了数值模拟，物理模型是研究工业过程中流动和运输过程的重要和合法的工具。但是，为了根据实际过程正确地解释其结果，必须考虑到相似性因素。[14,15]除了几何形状外，决定流动现象的各种力的比率应尽可能真实地再现。在有气体注入的钢包中，气泡引起熔体运动，这是由粘性、惯性和浮力控制的。[29]在热物理性质方面，密度、粘度和表面张力被认为是影响气泡形成和演化的主要因素。无量纲莫顿数(Mo)由流体和气体的这些基本物质性质组成[30]，决定了周围流体中气泡的形状。莫顿数在式[1]中表示为粘性力与表面力之比，
（1)为重力加速度;为流体的动粘度;流体的密度;为流体的表面张力;以及两相的密度差。通常，水和液态金属中的莫顿数相差好几个数量级。在以前的出版物中已经研究了液态金属在低熔化温度下气泡上升的行为。[24,25,31,32]
LIMMCAST设备在200°C的温度下使用二元合金Sn-40 wt pctBi进行操作。它的物理性能与水的物理性能以及以前研究中使用的普通工业钢X5CrNi18-10的物理性能一起列在表1中。[33,34]由于是液态金属，SnBi合金在200°C时的物理性能比在水中更接近钢液在1550°C时的物理性能。因此，SnBi合金的Morton数表明，在确定周围流体中的气泡形状时，SnBi合金可以被认为比水更能代表熔融不锈钢。
液态sn - 40wt - pct Bi合金被放置在180t工业钢包的1:5.25模型中，因为这已经在先前的研究中实现了。[27]实验钢包直径为600mm，与熔池高度相近。钢包在底板上装有四个不同的可能的吹扫塞位置。实验设置如图1所示。
(a)含有Sn-40 wt - pt - Bi液体的实验钢包(b)实验钢包的外壳，指示加速度计的安装位置(E, G, H)
与之前的文献[27]一样，流速换算采用了弗劳德相似度，如式[2]所示。
（2）为工业气体密度;为实验装置中气体的密度;为SnBi液态金属在200℃时的密度;为钢的熔体密度;为模型的比例;为工业注射流量。
注入气体的初始动量被忽视在底部气体搅拌模式,合理的事实的势头注入气体消散后不久注入和上升的浮力羽流是由气体被k . Krishnapisharody et al。[35]由于弗劳德相似(Eq。[2]),检查流量的模型是不同的从0.2到3.6问敏−1代表气体流速12到216 NL分钟−1钢桶。
气体流量由气体流量控制器(MKS，型号GE50A)精确控制，最大氩气流量为6.85 NL min - 1(±0.2%)。通过裂隙塞和多孔塞两种不同类型的塞向模型注入氩气(见图2(b)和(c))。利用两个不同的堵头位置向液态金属注入氩气;一个在中心，一个在靠近实验钢包壁的径向位置(图2(a))。在这里调查的任何情况下，两个塞位置(图2(a))都配备了相同类型的塞，同时用于氩气注入。LIMMCAST设施提供了在环境大气和低压下进行实验的可能性，以类似于真空脱气的工业过程。在我们的设置中，钢包配有一个盖子(图1和2)，用于密封实验钢包。真空(带气体压载的最终压力为0.3 mbar)在实验钢包内由抽气量为583.33 L min - 1的PFEIFFER UnoLine真空泵产生。在实验过程中，真空由电子计控制。
(a)实验钢包俯视图示意图，标注堵头位置(b)使用狭缝堵头(c)使用多孔堵头。在两个包塞位置的实验中，只使用了一种类型的塞
对于振动测量，使用三个单轴加速度计，灵敏度为1000 mV/g(±5%的灵敏度公差)。高灵敏度值有助于提高这项工作的质量，在这样的实验研究中，需要高灵敏度来捕捉实验钢包中氩气注入过程中气泡流动引起的振动。三个传感器分别安装在罐壁外表面的三个不同位置(E、G、H)，如图1和2所示。如图1所示，加速度计E和G略高于镀液的自由表面，而H位于距离钢包底部498 mm处的自由表面以下。安装在H位置的传感器(图1)更容易受到气泡产生和聚并后钢包壁振动的影响。当气泡破裂或离开液体的上部自由表面时，安装在液体浴(E, G)上方的顶部传感器更容易受到结构振动的影响。对当前工作中使用的加速度计的更详细描述以及对整体测量设备的描述将在手稿后面的单独部分中给出。在钢包运行和振动测量过程中，以0.2 NL min - 1至3.6 NL min - 1的特定流量向钢包内注入氩气，步长为0.2 NL min - 1。在每次流量变化后，系统至少有5分钟的时间进入新的准稳态，然后开始振动测量。特别地，利用获得的加速度信号的均方根(RMS)值来表征系统状态。在MathWorks提供的MatLab®中计算每个调查病例的均方根值。[36]三个加速度计(E, G, H)的原始加速度信号数据经过数字转换后存储在PostgreSQL数据库中。然后，从PostgreSQL数据库中提取数据，并根据气体流速存储在离散集中。利用MatLab计算各流量下加速度幅值平方算术平均值的均方根的RMS值(公式[3])。对于生成的图形中的曲线拟合，使用应用工具箱中的3.5.9曲线拟合工具。虽然系统对流量变化的反应很快，但为了避免不同流量值之间的过渡时间，只评估了中间三分钟的数据。这已被应用于任何调查的情况下，因此，每个流量的信号有60秒后的流量被气体流量计调整的开始。
（3）式中为值的总数，为加速度振幅。
在MatLab中通过Eq.[4]计算决定系数R2。
（4）其中SSE为误差平方和，SST为总平方和。
从存储工业测量信号的数据库中提取数据也遵循同样的程序。然而，在工业测量中，时间间隔对所有的流量是不一样的，因为它们是由钢的等级和相应的化学反应决定的。同样的公式[等式]。3,4]用于计算工业中VD处理过程中振动测量的RMS和R2值。
传感器的采样频率设置为25k Hz。重要的是，所获得的数据不受外部振动的影响，因此只有未受干扰的信号才能被检查以解释流动状况。当LIMMCAST不工作时，测量到的信号幅度非常低。因此，在LIMMCAST设施中，来自其他来源而不是气泡流的振动可以被认为可以忽略不计。因此，加速度计捕获的信号仅指由钢包内气泡流动产生的振动。
在瑞典一家钢铁厂的实际工业真空脱气过程中进行了另一系列振动测量。本文介绍的真空脱气(VD)过程中的振动测量是指容量为65t钢水的钢包。如图3所示，氩气通过放置在钢包底板上的两个狭缝塞注入熔体。在低压4mbar下，以不同的气体流速注入氩气，最高可达140 L min - 1。氩气的流量由Bronkhorst流量控制器控制，最大流量为500 L min - 1±0.4%，真空由压力表控制。
工业钢包的顶立面图，上面有钢厂真空脱气过程中用于注入氩气的塞的位置
在炼钢厂，近距离和钢包壁温度明显偏高。高温环境会导致振动测量精度降低。因此，传感器被安装在安全距离的钢板上，钢板焊接到钢包支撑系统上，在VD过程中钢包被放置在那里。VD过程中产生的振动从钢包传递到钢包支撑系统，并由安装在钢包支撑系统上的加速度计捕获。为了澄清，加速度计在钢包支撑系统上的位置如图4所示。这些安装位置的温度约为70°C。加速度计ACC2和ACC3被放置在这样一个位置，以捕捉垂直于VD站的振动。水平轴和垂直于所研究系统的振动振幅最大。ACC1加速度计更容易受到来自熔体车间其他正在进行的过程和活动的背景振动的影响。研究了加速度计ACC1的信号，用于真空脱气过程中背景振动源的识别。此外，为了更好地了解仅与感兴趣的过程相关的振动，在测量过程中，除了安装用于记录背景活动的摄像机外，还记录了外部振动源的时间戳。从总共25种VD处理中，选择了四种不同VD处理的振动测量，以进一步详细研究。仅在这四种VD处理过程中，在测量期间关闭了电弧炉(EAF)、钢包炉(LF)和铸造操作等可能干扰振动信号的侧过程。此外，减少了在VD站周围引起额外振动的起重机的活动。因此，可以认为捕获到的振动信号主要来源于真空脱气时的钢包。这需要进一步调查，并在今后的研究中加以处理和澄清。对于所有四个测量，传感器安装在相同的位置(ACC1, ACC2和ACC3)。振动测量的程序对于使用相同测量设备的所有四种VD处理是相同的。在试验过程中，钢液总质量、炉渣质量、钢种、耐火层厚度等影响因素也发生了变化。需要进行进一步的调查，以更清楚地了解这些因素对工业环境中振动信号的影响。
(a)工业钢包和钢包支撑系统的照片，显示加速度计的位置，在那里进行了振动测量(得到钢厂的许可)，(b)描述真空脱气期间安装在钢包支撑系统上的加速度计位置的草图
对于工业测量，真空脱气过程的持续时间约为40分钟。在VD过程中，氩气最初以大约20 L min - 1的低流量注入工业钢包，然后逐渐增加到更高的值，大约250 L min - 1。整个过程采用真空处理，并伴有电磁搅拌。电磁搅拌(EMS)被认为是一种改善混合条件的软搅拌。[37]然而，文献并没有揭示EMS对真空脱气过程中产生的振动的贡献。从作者目前所看到的EMS及其对工业振动信号的贡献来看，EMS不太可能对振动信号产生重大影响。EMS对振动信号的影响仍在研究中，将在以后的工作中得到澄清。
振动可以被加速度计捕获并量化。在使用加速度计时，应考虑几个因素，以确保可靠和准确的测量。加速度计应该能够捕捉到系统运行频率范围内的振动。湿度和温度是影响测量精度的因素。保证测量质量的另一个重要要求是设备的适当安装。[38]在磁性、粘合剂和螺柱安装中，后者被报道具有最宽的动态测量范围，并且在苛刻的环境中是首选。[38]据悉，电缆长度是振动传感器安装的一个主要方面。一般情况下，电缆具有一定的电容，负载随长度的增加而增加。这种容性负载减少了高频振动信号。然而，对于传感器和电源之间长度小于70米的电缆，这种容性负载对信号限制在10 kHz的正常工业应用的影响不是问题。[38]
对于当前研究中的振动测量，使用了三个Wilcoxon 799m单轴加速度计，灵敏度为1000 mV/g(±5%的灵敏度公差)，校准频率范围为0.2至2500 Hz。采样频率为25khz。测量装置由加速度计、多通道模拟输入模块和台式计算机组成。模拟信号通过同轴电缆从加速度计传输到模拟输入模块;每个加速度计有一条单独的电缆。根据这些实验的条件，电缆的长度选择为30m。将信号转换成数字信号，通过NI cQDAQ-9134以太网机箱发送到台式计算机。在台式计算机上，Lab VIEW 2014 SP1(64位)接收信号，然后将其作为原始数据存储在PostgreSQL数据库中。LIMMCAST实验中应用的测量系统框图如图5所示。
设计的振动测量系统，在LIMMCAST装置中实现，三个传感器安装在外墙(ACC E, ACC G, ACC H)
研究了LIMMCAST装置中两相流产生的振动随氩气流速的变化规律。对于多孔桥塞和狭缝桥塞(在测量过程中始终存在两种相同类型的桥塞)，振动的加速度幅值随流量的增加而增加。图6显示了狭缝塞的测量结果与气体流速的关系。图表是指加速度计H捕获的信号，其中加速度计E和G产生类似的曲线(此处未显示)。在图6中，随着气体流量的增加，振荡幅度的增加是很明显的。
加速度计H捕获的振动信号用于通过两个底部狭缝桥塞注入气体，每个桥塞都以相同的气体流量操作，其中图例中给出的流量值表示两个底部桥塞的总流量
评估加速度计提供的数据的下一步是量化振动信号的强度。这是通过计算测量加速度的均方根(RMS)值以一种简单的方式完成的。图7和图8显示了计算出的RMS值作为气体流速的函数，其中两个注入位置分别配备了多孔塞(图7)和狭缝塞(图8)。这些测量是在环境压力条件下进行的。
加速度计(E, G, H)在不同气体流速下通过两个多孔底部桥塞平行注入时的加速度有效值，其中x轴上给出的流速表示两个操作桥塞的总流量
加速度计(E, G, H)在不同气体流速下的加速度均方根值，通过两个缝状底部桥塞平行注入，其中x轴上给出的流速表示两个操作桥塞的总流量
有趣的是，在图7中注意到，在多孔塞的情况下，我们看到，在所有三个传感器的数据中，RMS值与相同斜率的体积流量增加呈线性关系。当如图8所示使用狭缝塞时，情况并非如此。最多只能在1.6 NL min - 1以下的小体积流中推导出线性关系，因此加速度计E的测量值比其他两个传感器的测量值显示出更高的梯度。在1.6 ~ 3nl min - 1范围内，RMS值的增加显著减缓，然后在更高的气体流速下再次观察到更强的增加。
图9显示了通过槽底塞注气时计算出的均方根值与气体流速的关系，但这一次是在真空条件下。很明显，不再存在线性关系。拟合结果表明，这些曲线明显呈幂律形式。
真空条件下，通过LIMMCAST装置中的两个狭缝底塞注入氩气时加速度计(E, G, H)的加速度有效值与流量的关系，其中x轴上给出的流量表示两个操作塞的总流量
在瑞典一家钢铁厂进行了与LIMMCAST测试设施类似的测量。工业测量涉及真空脱气过程，因此与真空条件下的LIMMCAST实验最相似。在工业过程中，气体流速变化到约250 NL min - 1。因此，考虑到第二节中讨论的相似性考虑(参见Eq.[2])，我们可以说，模型实验与实际工业厂房之间在曲线的非线性形状方面有相当好的一致性。在真空脱气过程中，加速度计ACC 1、ACC 2、ACC 3记录的振动信号计算出的加速度有效值如图10所示。
在真空下运行的LIMMCAST装置中安装的所有传感器(E、G、H)以及在钢铁厂VD处理期间(ACC1、ACC2、ACC3)进行的振动测量中，一系列测量的加速度与气体流速的有效值。对于工业测量，从25种不同的VD处理中选择了四种具有代表性。对于LIMMCAST模型的测量结果，图9是对数据的重新绘制。图中给出了情节的方程式
为了进行直接比较，图9中的LIMMCAST结果再次绘制在图10中。其中，气体体积流量的参数范围根据式[2]进行调整。在工业数据中，值得注意的是，不同VD处理的个别曲线以及传感器有时彼此偏离非常显著。我们在第三节中指出，由于传感器安装的类型和比较特定VD处理的工艺条件的难度，这种偏差是可以预料到的。因此，我们不想在这里详细讨论这些问题，而是指出模型实验和工业过程中的测量曲线都显示出幂律拟合。
在这项研究中，测量是在钢铁厂和实验室规模的液态金属模型上进行的，测量范围包括气体流速、气体喷射器和压力条件的变化。总的来说，可以这样说，对于所有进行的测量，记录的振动振幅随着气体流速的增加而稳定地增加。如果考虑到振动主要是由钢包内的流动产生的，这是可以预料的。在各自的流动特性和测量的振动之间建立一个清晰而明确的关系是困难和具有挑战性的。振动发生的原因是多方面的:上升气体在流体中产生湍流结构、气泡碰撞、聚并或破裂、气泡在自由表面破裂、表面波的形成等。就目前的知识来说，几乎不可能对这些个别现象作出明确的解释，但所有这些现象无疑都随着气体流速的增加而扩大。所有这些事件都会产生局部压力波动，这些波动会通过流体传播，并传递到安装了加速度计的容器壁上。
在LIMMCAST实验设施获得的结果揭示了一个非常有趣的发现。在多孔塞充氩气的情况下，三个加速度计(E、G、H)的测量数据均显示RMS值随气体流量的增加呈线性斜率。当使用狭缝塞时，这种行为会发生变化，观察到振动的均方根值呈幂律增加。根据上述关于振动起源的讨论，从信号幅度的不太明显的增量可以得出结论，在狭缝塞的情况下，槽内气泡数量和湍流程度的增加不如通过多孔塞注气时那么大。这一普遍假设在Trummer等人[39]的实验研究中得到证实，他们在水模型中比较了多孔和狭缝注气器的性能。根据他们的观察，在狭缝塞注气过程中，气泡的数量仅随着体积流量的增加而略有增加。相比之下，在多孔塞的情况下，检测到的气泡明显更多。可以合理地假设，流体中气泡越多，气泡之间的相互作用，如碰撞和聚并，应该发生得越频繁。这种情况可以(但不一定必须)解释LIMMCAST实验中RMS曲线的不同斜率。
在这方面还必须考虑到另外两个方面:
众所周知，水和液态金属表现出根本不同的润湿行为。虽然可以相当肯定的是，Trummer等人[39]使用的气体喷射器是完全湿润的，但Sn-Bi合金中多孔表面的湿润是非常难以实现的。气体喷射器上单个气泡的形成和脱离本质上是由润湿决定的:三元GaInSn合金的x射线可视化实验表明，非润湿气体喷射器上气泡的形成显著减少了气泡的数量。[25]气体体积流量的增加往往会增加气泡的大小。在LIMMCAST装置中，使用局部电阻率探头进行气泡探测和局部空隙测量的初步测量确实发现，多孔塞和狭缝塞之间的气泡数量只有微小差异。[27]
如果在狭缝塞的情况下，气体体积流量的增加没有导致气泡数量的增加，则平均气泡尺寸将增加。众所周知，大气泡也可以成为局部湍流的有效发生器，因为它们经历更大的浮力，从而提供更大的局部速度梯度。同时，气泡的大小增加了气泡形状明显振荡和气泡破裂的趋势。这两种机制当然也可以被认为是振动的来源。
Alia等人[15]使用与LIMMCAST模型具有相似几何形状的容器在水中进行了振动测量。这使我们有机会直接将水实验的结果与LIMMCAST模型的结果进行比较，其中SnBi被用作建模流体。然而，我们必须记住，振动信号也可以受到许多因素的影响，其中各自的关系可能尚未完全澄清和理解。在这一比较中还必须考虑到，尽管在几何形状或注气方面有许多相似之处，但这两个实验不仅在使用不同的流体方面有所不同。对此，可以假设在流体容器的构造和材料细节以及加速度计的安装或灵敏度方面存在相关差异。不幸的是，这些详细信息通常不会在各自的论文中列出。在Alia等人的模型中[15]，气体通过底部吹扫塞(未进一步说明)注入，振动信号由位于容器外壳不同位置的单轴加速度计捕获。图11给出了液态金属模型与Alia等人[15]报告的水模型结果的对比，其中重新绘制了图7和图8中的LIMMCAST数据。为了能够比较两种情况，这里也使用式[2]对LIMMCAST实验的气体体积流速值进行了调整。需要注意的是，与LIMMCAST相比，水实验覆盖的气体体积流量参数范围更小，因此必须将比较限制在小气体含量范围内。一个明显的区别是，水模型的曲线在较小的流速值下已经遵循幂律，而液态金属的测量结果则显示出线性行为。对于多孔桥塞，在常压下，LIMMCAST研究的整个参数范围内都存在线性行为，而对于通过狭缝桥塞注气，在更高的体积流量下，线性关系就消失了。其他研究[10,16]使用配备多孔塞的水模型，但不同的容器几何形状，也表明在流量高达60 L min - 1的情况下，计算的均方根值具有幂律依赖性。
振动测量的均方根值作为气体流速的函数:在相似的气体流量范围内，LIMMCAST结果与Alia等[15]的水模型结果的比较
尽管图11显示了水和液态金属之间的明显差异，但在振动数据中对它们的解释远非直截了当。我们可以假设，对于相当的气体体积分数，在液态金属中发现的气泡比在水中发现的气泡少而大。当然，这应该对流体中的湍流水平以及气泡-气泡相互作用的频率和强度产生影响。不幸的是，在文献中只有很少的定量研究集中在液体金属中的气泡-气泡相互作用。Keplinger等人研究了气泡碰撞、合并和破裂事件。[24]由于在这些研究中使用x射线照相来可视化不透明液态金属中的气泡，因此实验仅限于薄几何形状，难以直接比较大型三维容器中的水流。然而，作为验证测量方法的特殊调查的一部分，一组有限的实验直接比较了液态金属和水的薄几何形状。[40]这些测量结果证实了在液态金属中出现较大气泡的预期，而不是在水中出现大量分散的气泡。此外，还发现在水中的气泡变形比在液态金属中更大。液态金属中的气泡往往具有更球状的形状，而水中的气泡则可以描述为具有摆动表面的扁椭球体。造成这些影响的主要原因是液态金属的表面张力比水高。在两种流体中发现气泡的上升速度相当相似。金属液体中较高的浮力明显地被由于气泡尺寸增大而增加的阻力所补偿。对水模型中气泡特性的研究表明，随着流量的增加，气泡尺寸总体上增加。[41,42,43]此外，Srivastava等人[41]在研究不同操作参数下的水中气泡大小时发现，在水体积的不同区域，流速水平对气泡聚结的起始起作用。Liu等[44]研究了水模型中的气泡特性。当气体流速大于0.5 L min - 1时，气泡的数量和大小都在增加。此外，作者建议需要更高的流速，通常在1.5和2.0 L min - 1之间，以启动气泡的碰撞和合并。[44]
气泡直径是决定两相流动力学的一个重要参数。增大的气泡尺寸增大了上升气泡的阻力系数。界面也变得越来越容易受到不稳定性的影响，结果是气泡振荡开始，进一步增加了气泡的流动阻力。当沿气泡的局部剪切流达到一个临界值时，气泡就会破裂，这个临界值取决于表面张力。[25]气泡的振荡和破裂会导致振动。Gao等[45]报道了气泡上升速度随着气泡的增大而增大，气泡表面的不规则变形也越来越大。他们考虑了不同大小的气泡形成羽流，其中小气泡倾向于以低滑移和上升速度停留在羽流中心的狭窄区域，而大气泡则倾向于以较高的滑移和上升速度向外扩散，从而形成更宽的羽流。这表明，对于较大的气泡，较高的局部湍流水平与增加的湍流输送有关。在后一种情况下，羽流与钢包侧壁的相互作用预计会更强烈，从而导致加速度计检测到的振动强度增加。因此，对于比较的流动范围，在液态金属中，RMS值的线性增加可能是羽流中较大气泡上升过程中产生较大振荡的结果。而在水中，引用的研究[15]所使用的模拟流速低于Liu等人提出的气泡碰撞和聚并所需的阈值[44]。此外，在阈值以下，随着流速的增加，气泡的大小只有轻微的增加，而分散的气泡数量则逐渐增加[44]。因此，流体中大量的小气泡可能无法保持均方根值增加的线性，使趋势变成指数小于1的幂律。在这一点上，有必要再次提及的是，对比模型之间观察到的差异仅限于参考文献15中发现的小气体含量范围，而在更高的流量下，通过底部狭缝塞注入氩气时，RMS与液态金属中增加的流量之间的关系变为幂律(见图8)。目前观察到的差异是未来进一步研究具有不同物理性质的流体中形成的气泡振动行为变化的基础。
本研究的另一部分致力于研究真空条件下的振动特性，因为这个星座在真空脱气等冶金技术中起着至关重要的作用。LIMMCAST设备提供了在封闭系统中进行测量的可能性，在该系统中空气可以被有效地抽离。这为与工业过程中的情况进行比较提供了良好的依据。图9中LIMMCAST相应的RMS曲线显示，对于所有三个加速度计(E, G, H)，当气体流速增加到3.6 NL min - 1时，其主要幂律增加。加速度的RMS值比LIMMCAST在环境条件下计算的相应RMS值更高。Wondrak等人[27]在同一参数范围内对LIMMCAST装置中的气体分布进行了测量，结果表明，随着浴槽自由表面下压力的降低，气泡的数量和大小显著增加。更具体地说，在真空条件下气泡上升过程中，流域中出现了大气泡被越来越多的小气泡包围的现象。在形成更大的气泡之前，来自较小气泡的气体通过薄膜扩散到较大的气泡中。[46]大气泡增强钢包内振动水平的能力已经在上面讨论过了。另一个引人注目的现象是浴槽表面大气泡的破裂，这可归因于大气泡以高上升速度接近自由表面。[27]当气泡到达液态金属浴的自由表面时，就会形成一个巨大的薄膜圆顶结构。气泡的破裂导致液态金属的小液滴在自由表面上分散。[27]这些小的液态金属液滴落回液态金属体中。这种爆裂现象产生的表面波向钢包壁传播。因此，在真空条件下，振动活动性增强。在环境压力下的相应实验中没有观察到这样的气泡破裂。[27]气体顺利逸出;自由表面仅受到轻微扰动，因此不会显著增强振动活动性。Wondrak等人先前在LIMMCAST模型中研究了液态金属顶部自由表面气泡的破裂[27]，其中在真空下顶部表面扰动的极端差异被照片和视频捕获。
LIMMCAST模型的当前研究旨在深入了解具有接近钢液物理特性的液态金属中气泡的振动行为。目前，在完全相同的装置中，在液态金属和水中，使用其他气泡表征技术结合振动测量，对测量数据进行分析。这项研究将在以后的出版物中发表，以揭示有关气泡演化事件和气泡特征(如大小和速度)以及其他相关现象(如质量传递)的信号产生的进一步信息。
在工业试验中，由于其高灵敏度，本研究中使用的加速度计被证明是在这种具有挑战性的条件下有效测量振动的。如图10所示，真空条件下LIMMCAST模型和工业钢包的振动测量结果显示，RMS值随气体流速呈幂律增长。
在工业钢包中选择了四种VD处理方法，如第二节所述，在这项工作中提出。图10清楚地表明，在整个气体流动范围内，在四种VD处理中使用的所有三种加速度计(ACC1, ACC2, ACC3)，工业钢包的RMS曲线遵循幂律增加。值得注意的是，从工业钢包中的传感器ACC1对VD 3和VD 4的测量显示，RMS值的水平几乎是恒定的，f(Qgas) = k，幂定律中的指数远小于1。ACC1是一个背景加速度计，它的活动可能受到另一个背景源活动的干扰(例如，通过的起重机和卡车，铸锭的运动和其他设备)，尽管在这两个特定的VD处理中没有注意到这一点。另一方面，也可能是这个选择的测量位置对检测流激振动不利，即，由于振幅较弱，很难检测到相应的信号。ACC1安装在混凝土柱上，位置比另外两个传感器高。
在LIMMCAST对所有使用的三个加速度计(E, G, H)的测量中，还观察到加速度的均方根值随流量的增加而呈幂律增长(见图10)。在这里，数据的拟合得到幂律的非常相似的指数。特别是对于顶部安装的加速度计(E, G)，它捕获的振动主要是由气泡在自由表面破裂引起的，指数几乎相同。对于安装在自由表面以下的加速度计H，指数略高。这种行为的原因尚不完全清楚。这可能是体积内气泡相互作用的强度随着气体体积流量的增加而增加，而不是在浴液表面现象的振幅。另一方面，在工业试验中，不同传感器和VD处理之间的指数值的方差要明显得多，因此ACC2和ACC3的测量值更接近。ACC1的偏差已经被指出。
ACC2和ACC3安装在工业钢包周围相同的高度。显然，这个测量位置更适合记录流动引起的振动信号，这些信号可用于表征搅拌过程。
正如在第二节中已经提到的，许多因素，如钢液的总质量、炉渣的质量、钢的等级和耐火层的厚度在各自的VD处理之间是不同的，造成了进一步的不确定性。在LIMMCAST模型中，单个测量的偏差明显较低，这当然是由于实验条件在那里得到了定义，并且更容易控制。因此，LIMMCAST数据与钢铁厂测量结果之间的差异并不令人惊讶，因为它们在加速度计的位置、容器几何形状、材料特性和工艺特性方面存在差异。然而，在本研究中没有对各种影响变量进行量化，这必须是未来工作的一个关键主题。
这项研究的所有测量结果都非常清楚地表明，振动强度与气体流速有直接的关系。这使得振动测量成为表征和监测钢包内气体搅拌过程的一个有希望的候选者。到目前为止，工业过程的操作人员想要了解气体搅拌状态，大多局限于对自由表面的观察。特别是，从钢包底部向钢液注入惰性气体会产生所谓的“睁眼”，形成一条上升气体通过炉渣的通道，其大小和动力学可以表明搅拌强度。然而，睁眼的出现需要一定的最小气体体积流量。低流速的氩气被建议在真空条件下进行间隔约30分钟的搅拌，以避免再氧化和循环流动等降低夹杂物去除效率的事件。[46]然而，以相对较低的流速(10-20 L min - 1)注气不会导致睁眼的形成。[46]正如我们的工作所示，即使在低流量下，加速度计也能够记录与运动相关的振动，即使在低流量和软搅拌下，整个搅拌过程中真空脱气过程中的振动测量也是一种支持性的监测工具。此外，这种方法提供了对过程的更全面的了解，因为即使在睁着眼睛的情况下，也很难获得关于液态金属内部两相流的结构和行为的可用信息，这些信息是评估搅拌过程的强度和效率所必需的。
LIMMCAST模型得到的结果与钢厂VD处理的结果相似，这对继续进行研究是令人鼓舞的。然而，观察到的差异提出了一些关于振动信号与潜在物理机制之间关系的开放性问题。基于物理液态金属振动测量和工业测量相结合的气体搅拌控制鲁棒模型的开发是非常复杂的，需要先进的信号处理和统计技术。在这种情况下，将工业过程的数据与物理模型的数据进行比较尤为重要，因为在后者中，边界条件和工艺参数可以准确且可重复地设置，从而提供对振动数据的基本理解。这是一项正在进行的工作。目前正在工业和LIMMCAST进行进一步的振动测量调查。结果将在以后的出版物中报告。
在炼钢过程中控制工业搅拌过程的概念是在通过物理建模和工业观察获得的基础知识和数据的基础上创建的。据作者所知，在这项研究中，首次在使用液态金属模型流体(200°C下的SnBi)的实验钢包上进行了振动测量。
本研究得出以下结论:
振动幅值随气体流量的增加而增大，这显然是液态金属湍流运动加剧的结果。从振动测量中获得的信息可用于过程监控，例如，识别异常搅拌条件，例如，在搅拌塞堵塞的情况下，以及控制在金属浴的顶部自由表面没有视觉观察可能性的软搅拌过程。
操作参数，如塞的类型和施加在液态金属浴的自由顶表面上的压力，对加速度的均方根值有显著影响。这些条件的改变会导致气泡流动特性的变化，例如气泡的数量和大小、气泡碰撞、气泡合并和气泡破裂事件。因此，应该仔细研究这些参数的影响，以开发用于过程控制的专用模型。
真空条件下LIMMCAST装置测量的均方根值随气体流速的变化曲线与工业真空脱气过程的曲线相似。观察到的相似性加强了LIMMCAST测量在金属制造容器振动测量方面的有效性。这些调查正在进行中，并将继续进行。计划进行进一步的测量，并将工业测量数据与液态金属实验进行比较，将进一步提高未来金属生产容器中搅拌控制模型和概念的准确性。
对振动信号的分析揭示了LIMMCAST模型中的振动测量值与使用水作为建模流体的物理模型之间的差异。可以合理地假设，这些偏差可以至少部分地用流体材料性质的差异来解释。然而，很难建立精确的相关性，因为尽管两种模型在几何形状和气体注入方面有相似之处，但在构造细节和流体容器的材料方面存在差异。在200°C时观察到的水和SnBi之间气泡流动振荡行为的差异可能对推导控制工业容器中气体搅拌过程的适当方法具有指导意义。为了建立完善的基于振动测量的工业搅拌过程控制测量方法，有必要详细研究液态金属和水的振动行为差异。
物理液态金属模型(如LIMMCAST)中的振动测量为全面表征液态金属中的两相流动和气泡行为提供了一个有吸引力的工具，并且可以更好地理解在钢包壁测量的振动的起源和动力学。这项研究的结果鼓舞了在物理液态金属模型的进一步研究，以建立基于实验和工业数据的金属制造钢包中使用加速度计的搅拌过程控制的固体技术。
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